超濾膜在水處理中的污染及其控制措施

沈海軍

【摘要】超濾膜污染控制技術(shù)是超濾膜技術(shù)推廣的關(guān)鍵，超濾膜污染受到膜結(jié)構(gòu)和特性，溫度、壓力、水中雜質(zhì)、原生水質(zhì)等因素的影響，造成超濾膜通水量減少、能耗增加、生產(chǎn)成本升高。超濾膜清洗時比較復(fù)雜，并且還要使用化學(xué)藥劑，會對周圍水質(zhì)造成再次污染。超濾膜清洗難度大，在對超濾膜進行清洗過程中要對超濾膜污染問題進行區(qū)別對待，提前做好各項準(zhǔn)備，當(dāng)超濾膜污染超標(biāo)時，及時地進行超濾膜清洗。通過超濾膜與粉末活性炭的組合工藝、混凝劑超濾膜組合工藝等工藝創(chuàng)新可以提高超濾膜污染工作效率。本文通過對超濾膜在水處理中污染的原理和特點的分析，根據(jù)對超濾膜污染影響因素的探究，提出超濾膜在水處理中的污染控制措施，以期促進超濾膜技術(shù)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】超濾膜；水處理；污染；控制措施

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，膜過濾技術(shù)得到較快的發(fā)展，使用膜過濾技術(shù)可以有效去除水中的微生物、細(xì)菌、無機顆粒和有機物，超濾膜水處理技術(shù)具有良好的物化性能和分析性能，能夠滿足環(huán)境工程水質(zhì)要求。超濾膜技術(shù)可以實現(xiàn)對水的凈化、濃縮、分析，有效實現(xiàn)水體凈化，并且成本低，有著較好的發(fā)展前景?？梢酝ㄟ^促進科技創(chuàng)新，逐步轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式對超濾膜進行技術(shù)創(chuàng)新，促進企業(yè)健康發(fā)展，企業(yè)在獲得經(jīng)濟效益的同時可以獲得社會效益和生態(tài)效益。

1、超濾膜技術(shù)概念

1.1 超濾膜技術(shù)工作原理。超濾膜技術(shù)是在壓差推動力作用下進行的篩孔分離過程，即在一定的壓力作用下，當(dāng)含有大、小分子物質(zhì)兩類溶質(zhì)的溶液流過被支撐的膜表面時，溶劑和小分子溶質(zhì)（如無機鹽類）將透過膜，作為透過物被收集起來；大分子溶質(zhì)（如有機膠體等）則被膜截留而作為濃縮液被回收，從而可以實現(xiàn)對水質(zhì)凈化和濃縮，分離出相關(guān)溶液的技術(shù)。超濾膜技術(shù)在應(yīng)用中介于微濾和納濾之間，膜孔徑范圍為0.005-0.1μm，截留分子量為1000-500，000道爾頓左右。

超濾膜工作原理主要體現(xiàn)在一定壓力下進行過濾的半透性的膜。受到壓力的作用，溶液中的溶劑和低分子量的溶質(zhì)會通過超濾膜上的孔洞到達(dá)膜的另一側(cè)。在特定壓力下進行過濾時，溶液中的無機鹽和低能量分子就會通過。大分子物質(zhì)和膠體會被超濾膜截留或吸附，從而實現(xiàn)對水的凈化。使用超濾膜技術(shù)可以對工業(yè)廢水進行有效處理。超濾膜技術(shù)能夠清除廢水中的污染物。過濾過的工業(yè)廢水可以再次在工業(yè)生產(chǎn)中使用，從而提高水資源利用效率。廢水中過濾出來的有機物、無機物可以進行回收利用，從而減少資源的浪費，節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)成本。在使用超濾膜技術(shù)時，要根據(jù)廢水的特點采取合理的措施，提高廢水處理效率。

1.2 超濾膜技術(shù)的特點。超濾膜具有多樣化的特點：第一，超濾膜技術(shù)僅以低壓為推動力，設(shè)備及工藝流程簡單，自動化程度較高，操作便捷，分離過程不發(fā)生相變，能耗低，運行費用較低，從而使系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能較好。第二，超濾膜技術(shù)可以對溶液中的雜質(zhì)進行徹底清除，從而提高產(chǎn)水質(zhì)量。第三，超濾膜材質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以經(jīng)受酸和堿的影響，使用壽命較長。第四，超濾膜技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)廢水的有效處理，從而減少水資源的浪費，減少對環(huán)境的污染。第五，超濾膜技術(shù)工藝僅為物理篩分過程，不需要添加化學(xué)藥劑，不會出現(xiàn)水體二次污染，可在常溫下進行，特別適用于熱敏性物質(zhì)（如果汁、生物制劑及某些藥品的濃縮和提純）。

2、超濾膜污染過程機理

超濾系統(tǒng)可能受到進水中存在各種雜質(zhì)的污染，比如懸浮物、膠體、有機物、微生物和水合金屬氧化物等。膜污染就是指覆蓋在膜表面上和吸附在膜孔道里的各種沉積物，包括水中的結(jié)垢物。

溶液中粒子和膜材料的相互作用是膜污染的主要因素，使超濾膜受到堵塞，發(fā)生不可逆的吸附污染，以及濃度極化的凝膠層造成可逆污染。在進行水處理過程時，比超濾膜孔徑大的溶解性有機物是造成污染的重要成分，其膜阻力是超濾膜阻力的一半以上。超濾膜污染分為三個階段，第一個階段，生物聚合物濃度升高之后，可供使用的活性孔逐漸減少；第二階段，遷移性生物聚合物逐漸沉降在孔內(nèi)，從而造成膜污染；第三階段，隨著遷移性生物聚合物在膜表面的聚集，形成凝膠層和泥餅層。生物聚合物濃度的不斷增加，膜的污染階段會發(fā)生轉(zhuǎn)換和合并。

3、超濾膜在水處理中的污染問題

在使用超濾膜技術(shù)進行水處理時，會出現(xiàn)超濾膜的污染，造成超濾膜的產(chǎn)水量減少，能耗逐步增加，水廠生產(chǎn)成本升高。超濾膜污染成為了限制其在水處理中的一大技術(shù)障礙。凈化過程中超濾膜受到重度污染，需要使用化學(xué)藥劑進行清洗，但是我國自來水廠大約每5個月才進行一次超濾膜清洗。超濾膜清洗時比較復(fù)雜，并且還要使用化學(xué)藥劑，會對周圍水質(zhì)造成再次污染。自來水廠的超濾膜應(yīng)加大對超濾膜的維護，從而延長超濾膜的使用周期。

傳統(tǒng)超濾膜受到污染后，繼續(xù)使用會導(dǎo)致水質(zhì)受到二次污染，對超濾膜進行清洗需要使用化學(xué)藥劑，操作難度大?？梢酝ㄟ^對超濾膜進行研發(fā)，提高通水量，提高對污染物和氧化的抵御能力，延長超濾膜使用壽命，從而減少生產(chǎn)成本和使用成本。

由于超濾膜清洗難度大，在對超濾膜進行清洗過程中要對超濾膜污染問題進行區(qū)別對待，提前做好各項準(zhǔn)備，當(dāng)超濾膜污染超標(biāo)時，及時地進行超濾膜清洗。自來水廠在對進行水源地選取時，要對原水水質(zhì)進行合理分析，采取適宜的凈水處理技術(shù)，采取對超濾膜污染小的水處理方式。此外，有效的預(yù)處理可以減少導(dǎo)致膜污染的雜質(zhì)物質(zhì)，通過安裝合適的預(yù)處理設(shè)備，如前置過濾器、混凝/澄清或者過濾設(shè)備，選擇恰當(dāng)?shù)牟僮鳁l件，就能達(dá)到這一目標(biāo)。

4、膜污染的影響因素

4.1 膜結(jié)構(gòu)及特性。超濾膜的污染受到膜的結(jié)構(gòu)和特性的影響，超濾過程中，膜、溶質(zhì)和溶劑之間發(fā)生相互作用，由于膜材料、膜孔結(jié)構(gòu)、膜表面電荷和膜的表面粗糙程度影響，一些膜表面細(xì)菌生存量較大。膜孔和粒子的尺寸相差不大時，非常容易發(fā)生堵塞，膜孔小于粒子尺寸時，由于橫切流的影響，使膜表面難以聚集，不容易發(fā)生堵孔現(xiàn)象。膜表面越粗糙，對污染物的吸附作用就越強，也容易發(fā)生堵塞。所以，膜表面進行適當(dāng)擾動，能夠減少污染物在膜表面的形成，減少膜孔堵塞。

4.2 使用條件的影響。膜的污染物受到溫度、壓力、水中雜質(zhì)含量等因素的影響。當(dāng)溫度過高時，就會造成膜不可恢復(fù)性吸附污染物。當(dāng)壓力超過最大值時，膜上濃度差極化逐漸加劇，隨著跨膜壓差的增加，開始形成致密的凝膠，水過濾能力快速下降，因此超濾膜要在適當(dāng)?shù)膲毫ο逻\行。膜面流速對產(chǎn)水量和使用周期產(chǎn)生重要影響，膜面流速越快，膜面淤積的大分子膠體就越少，兩側(cè)濃度差縮小，受到濃度極化產(chǎn)生的凝膠層阻力也開始下降，膜的生命周期得到延長。過大的水中懸浮物、菌藻類含量偏高，會使濾餅層阻力增加，細(xì)菌藻類的分泌物可能造成膜孔不可恢復(fù)性堵塞。

4.3 原水水質(zhì)。膜的污染受到原水的pH值和離子強度的影響，溶液中膠體等大分子濃度比較低時，會使膜面的吸附力增加，通透量降低，這是對孔吸附和堵塞的重要原因。pH值會對膠體的帶電狀態(tài)產(chǎn)生影響，影響膜的性質(zhì)，從而對膜吸附能力產(chǎn)生影響，是膜污染控制的重要影響因素。溶液中離子強度發(fā)生改變會對膠體的構(gòu)型產(chǎn)生影響，從而使膜表面會對鹽產(chǎn)生吸附，從而降低膜的通量。在pH值較低時，膜表面電位為正，膜表面和腐殖酸間會存在靜電引力，對其表面附著產(chǎn)生影響，造成膜污染，降低膜通量。隨著膜表面點位的增大，會使引力減小，斥力增加，從而使污染減少。

5、超濾膜在水處理中的污染控制措施

隨著對自來水處理研究的深入，傳統(tǒng)的自來水處理技術(shù)弊端越來越凸顯，超濾膜技術(shù)優(yōu)勢明顯，并且可以適應(yīng)水體波動的特點。超濾膜污染控制技術(shù)是超濾膜技術(shù)推廣的關(guān)鍵，超濾膜污染受到膜結(jié)構(gòu)和特性，溫度、壓力、水中雜質(zhì)、原生水質(zhì)等因素的影響，造成超濾膜通水量減少、能耗增加、生產(chǎn)成本升高。超濾膜在進行水體處理時，對一些易溶解的有機物、鹽、小分子等有機物的處理效果不理想?？茖W(xué)家將超濾膜和其他工藝進行結(jié)合，結(jié)合后的工藝對水的處理效果大幅度提升，因此要加強超濾膜同其他工藝的結(jié)合。

5.1 加強超濾膜與粉末活性炭的組合工藝的應(yīng)用。研究人員在對超濾膜和粉末活性炭組合工藝的研究中，發(fā)現(xiàn)投入粉末活性炭之后膜的穩(wěn)定運行時間得到延長，但是通量會隨之而下降?；钚蕴康耐斗帕繉Τ瑸V膜的過濾阻力幾乎沒有影響，隨著活性炭投放量的增加，對水體中有機物的過濾效果得到提高，兩者存在互補關(guān)系。并且這種工藝可以對水濁度進行調(diào)節(jié)，抑制水的致突變活性。此工藝可以降低有機物的濃度，消毒過程中減少三鹵甲烷和四氯化鈦的生成量。超濾膜和粉末活性炭組合中，能夠明顯提高超濾膜的工作效率。

超濾膜和粉末活性炭的組合中，活性炭可以對超濾膜進行預(yù)處理，從而明顯提高超濾膜對有機物和消毒副產(chǎn)物的處理效果。大量實驗表明，此工藝能夠去除大部分有機物，但是水通量不能增加。因此，要對此工藝進行繼續(xù)研究，增加膜的水通量，提高對污染的抵御能力，才能提高超濾膜的水處理工藝水平。

可采用機械過濾、混凝、殺菌等方法對水進行預(yù)處理，從而降低膜污染。預(yù)處理能夠改變污染物的粒徑分布，對污染物間的相互作用產(chǎn)生影響，減少污染物在膜表面的沉積性，抑制微生物的生長?；炷菓?yīng)用比較廣泛的預(yù)處理方法，通過投放混凝劑能夠降低膜污染，增加膜通量，并且效果顯著。

使用強氧化劑、過氧化氫等改變有機物的組成部分，從而改善水質(zhì)。對于一些預(yù)處理產(chǎn)水量低、碟片過濾器穿透嚴(yán)重等現(xiàn)象，可以進行工藝改造，，比如在疊片過濾器前加裝投放混凝劑的裝置；在秋雨季節(jié)對水中的離子膠體含量進行控制，能夠減輕計劃層對超濾膜的影響。在疊片后防止雙介質(zhì)過濾器進行粗處理；在春夏季節(jié)菌藻類繁殖季節(jié)，通過采取抑制超濾進水，來減少菌藻類、大分子、膠體對超濾膜的影響。

5.2 加強混凝劑超濾膜組合工藝的應(yīng)用。使用混凝劑可以減少超濾膜中空纖維膜的污染，并且混凝劑效果顯著，可以明顯降低跨膜壓差的增加，提高對有機物的去除效果。混凝/超濾膜組合工藝可以對水中任一種有機物進行清除，對濁度去除率較高，對TOC的去除率也在50%左右。此工藝對水的利用效率在80%左右，并且能夠引入生物，將生物同工藝進行結(jié)合，水體凈化效果更顯著。

5.3 加強對工藝的創(chuàng)新研究。世界各國對以上兩種工藝的研究較多，并且效果明顯。也可以將兩種方法進行結(jié)合，超濾膜和粉末活性炭，同紫外線消毒工藝融合，能夠進一步提高超濾膜的過濾能力，并在過濾過程中對小分子物質(zhì)進行吸附，減少紫外線消毒的副產(chǎn)物。這種工藝可以降低水體的濁度，吸附/超濾膜工藝能夠?qū)λ械姆剡M行過濾，選擇適當(dāng)?shù)幕钚匝趸X顆粒，減少膜區(qū)的曝氣現(xiàn)象，沉淀區(qū)和反應(yīng)區(qū)的回流比控制在0.5左右，可以提高對氟元素的去除效率，并且超濾膜的污染量少，超濾膜工作時間長。通過對超濾膜的技術(shù)創(chuàng)新，可以促進科技創(chuàng)新，逐步轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，促進企業(yè)健康發(fā)展，企業(yè)在獲得經(jīng)濟效益的同時可以或的社會效益、生態(tài)效益。

6、結(jié)語

超濾膜技術(shù)是有效的環(huán)保水處理技術(shù)，對廢水處理影響深遠(yuǎn)。超濾膜水處理技術(shù)具有良好的物化性能和分析性能，能夠滿足環(huán)境工程水質(zhì)要求。超濾膜水處理技術(shù)能夠減少水中的膠質(zhì)、懸浮物，有效解決水資源污染和匱乏的問題，超濾膜技術(shù)的成本低，擁有較好的經(jīng)濟效益。隨著水資源污染的日益嚴(yán)重，對污水進行處理需求量越來越大，超濾膜技術(shù)可以有效地實現(xiàn)污水過濾，膜技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點課題。膜污染的控制是膜技術(shù)能否得到大范圍推廣的關(guān)鍵。通過對膜污染原理的分析，尋找可以對膜污染進行控制的技術(shù)，對超濾膜進行實時監(jiān)測，對膜處理過程進行優(yōu)化，提高超濾膜性能是今后膜組合工藝的主要方向。對膜污染原理進行了解，可以為膜研究和開發(fā)提供思路，延緩膜污染、膜的實時監(jiān)控、膜為核心的組合工藝等是膜研究的前沿方向。

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